基于决策更新的多级火箭弹道重规划技术研究

火箭飞行中出现异常状态时,需要对任务弹道进行重新规划,弹道重规划包括任务决策和轨迹规划2部分内容。设计决策等级以确定任务目标,结合目标轨道根数的约束情况,采用自适应伪谱法规划出满足要求的飞行弹道。通过提高约束条件和求解精度实现决策更新,获得更高决策等级的高精度优化解。仿真结果表明,当火箭出现飞行偏差时,这种方案可以快速完成弹道重规划任务,对异常飞行状态实现一定程度的补救挽回。     

多约束航迹规划与跟踪制导律

研究升力式飞行器多约束航迹规划与跟踪制导律设计。考虑到飞行器为满足任务需求规定了一定范围的禁飞区，为确保滑翔段末状态处于中末制导交班窗口内设置了严格的终端约束，导致传统基于最大升阻比、平衡滑翔策略的航迹规划不适用。针对飞行器在不同空域的动力学特性，结合飞行策略预划分手段分段提出不同状态下的攻角、倾侧角剖面，通过优化剖面构型参数将无穷维轨迹优化问题转化为有限维参数规划问题，完成多约束航迹规划。最后，考虑到气动不确定性带来的轨迹偏差，利用线性二次型调节器以位移加权误差最小为优化指标完成轨迹跟踪制导律设计，实现对规划航迹的在线纠偏，并通过仿真分析验证所提方法的有效性。     

运载火箭推力故障下基于智能决策的在线轨迹重规划方法

为了提高运载火箭上升段飞行中推力故障下轨迹重规划的计算效率,提出了一种基于智能决策的在线轨迹重规划方法,将原问题转化为最优救援轨道的在线智能决策和成熟的燃料最优轨迹规划问题进行求解。通过离线求解不同故障状态对应的轨迹重规划问题,建立"故障状态-救援轨道"样本集,基于径向基神经网络建立最优救援轨道的决策模型,并将决策模型装订箭上。在实际飞行中以当前故障状态作为输入,利用决策模型可在线快速决策出最优救援轨道根数,进而求解以救援轨道为目标轨道的燃料最优轨迹规划问题,从而完成推力故障下的在线轨迹重规划。数值仿真表明,与直接求解轨迹重规划问题相比,该方法的计算效率提高了两个数量级以上,同时给出一致的最优救援轨迹。     

气动辅助空间交会最优轨道设计与闭环导引律

给出了同平面HEO-LEO实现空间交会的必要条件;研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面HEO-LEO的空间交会方案,通过设计一条标准的同平面HEO-LEO气动辅助轨道转移的最优轨迹,得到了轨道转移飞行器(OTV)与目标实现交会必须满足的标准相角;最后对大气飞行段设计了非线性最优闭环导引律,通过引入Lyapunov最陡下降函数,对函数中相应参数进行适当调整,使应用闭环导引律得到的大气内飞行轨迹与最优轨迹充分接近,仿真结果表明该气动辅助空间交会方法正确、可行。     

航天器Halo轨道间转移的滚动时域控制

针对航天器在日/地系统共线平动点附近Halo轨道族之间的轨道转移问题,提出了一种在线实时求解滚动时域控制的新方法。首先采用高效的辛自适应非线性最优控制数值算法,离线规划出航天器在不同Halo轨道之间转移的最优轨迹和最优控制输入。然后提出一种在线实时求解滚动时域控制的新方法,基于已规划好的最优转移轨迹,应用滚动时域控制方法完成航天器在初始入轨偏差下的在线实时制导控制任务。最后的非线性动力学系统数值仿真结果表明:所提出的求解滚动时域控制的方法具有高效率特点,能够在线实时求解航天器在Halo轨道之间转移的制导控制问题,并很快消除初始入轨误差的影响。     

基于改进人工势场法的飞行器轨迹规划

提出一种基于人工势场法的轨迹规划方法。借鉴人工势场的思想,针对飞行器的轨迹规划问题,考虑过载约束,构造势场函数定量描述禁飞区和目标点。同时,根据当前飞行状态下各势场的利害关系,调整各势场的作用区域与参数,使飞行器在合势场的作用下实现规避禁飞区,并以一条适飞轨迹最终抵达目标点。最后,通过二维平面轨迹规划问题的数学仿真,验证了该方法的有效性。     

亚轨道飞行器上升段轨迹优化与快速重规划

针对亚轨道飞行器上升段轨迹优化问题,提出了基于Legendre伪谱法的轨迹优化与快速重规划方法.结合亚轨道飞行器上升段运动特点,着重研究气动力的表示方法,建立了矢量形式的动力学方程.应用Legendre伪谱法进行上升段轨迹优化,并分析了优化结果.结合该方法的特点研究了基于Legendre伪谱法的轨迹重规划方法.仿真表明轨迹优化结果具有精度高、满足一阶最优性必要条件等特点,重规划轨迹的入轨精度高,且重规划的时间短,能满足快速性要求.     

考虑时间约束的多飞行器轨迹优化方法研究

针对同一发射场部署的多枚飞行器集群发射需求,提出一种降低飞行器之间到达任务地点间隔时间的轨迹优化方法。该方法考虑多飞行器发射的安全时间间隔,以每枚飞行器的任务总时长为优化目标,采用序列二次规划(SQP)算法对飞行程序角参数进行优化,使得多枚飞行器在各发射点和任务目标点不变的情况下,同时到达任务目标点,并采用基于径向基函数(RBF)的神经网络对飞行器轨迹积分模型进行拟合,提升优化效率。仿真结果表明,与传统的轨迹设计方法相比,该方法在满足安全性的前提下,使多枚飞行器可以尽可能同时抵达任务目标点,提升了多飞行器执行同一任务时的效果。     

RLV末端能量管理段轨迹在线规划与制导

针对可重复使用飞行器（RLV）末端能量管理段利用数值优化算法在线规划轨迹的实时性无法保证,工程应用性差的问题,在末端能量管理段的航向调整段（HAC）轨迹前增加直线预测捕获段(PASL),并在该阶段提前完成末端区域能量管理(TAEM)段轨迹的在线规划,从而降低工程中对轨迹在线规划方法实时性的高要求。首先,通过求解零气动角下的质点运动方程解析解,得到直线预测捕获段结束点的飞行状态预测值作为TAEM段轨迹的初始点状态。然后,在线求解以航向调整段进入点飞行器航向角偏差最小为目标函数,以动压、过载和速度滚转角限制为约束的非线性规划问题,得到航向调整螺旋线中心的最优位置。最后,设计了以规划轨迹确定的标称气动角指令为前馈,以跟踪偏差的比例+微分律生成指令(PD)为反馈的TAEM段制导律。算例仿真校验了本文基于弹道预测的末端能量管理方法的有效性。     

再入轨迹多约束模型预测静态凸规划方法

针对大升阻比可重复使用飞行器再入滑翔轨迹规划问题,提出了一种基于自适应分段Chebychev伪谱离散的多约束模型预测静态凸规划算法(P CMPCP),实现了全量终端状态约束及多过程约束作用下再入轨迹的高精度迭代解算。考虑倾侧角翻转导致控制量不连续,传统规划方法难以同时严格满足终端位置、角度约束,且过程约束易超限,采用自适应分段伪谱离散策略,构建全程飞行状态及过程性能指标约束对各配点处控制调整量的敏感度关系,从而将非线性最优控制问题转化为静态凸规划问题,并利用内点法对各分段控制量进行了协调优化。本文所提方法无需对动力学模型进行简化或近似处理,即能以少量积分运算使轨迹满足再入全量模型约束,且控制量平滑,数值精度优于传统规划方法。     

高速飞行器编队队形快速成形设计方法

针对高速飞行器编队队形设计问题,提出了一种基于伪谱法和自适应策略的快速成形实现方法。首先,建立高速飞行器三维运动模型,为解决初始构型与期望队形偏差过大难以满足控制约束的问题,提出了一种考虑最低能量和最小偏转角度的队形设计原则,可自适应调整编队成形空间位置;然后,将高速飞行器编队控制问题转化为轨迹设计优化问题,并利用伪谱法实现各飞行器满足过程约束飞行轨迹的求解与优化;最后,对不同初始状态、不同偏差分布情况下的高速飞行器编队成形过程进行了数值仿真分析,验证了快速成形设计方法的有效性和鲁棒性。     

基于伪光谱方法的有限推力轨道转移优化设计

研究了伪光谱方法在空间飞行器有限推力轨道转移最优化问题中的应用。首先给出了空间飞行器轨道转移最优化控制问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为轨道转移过程中燃料消耗最小,控制变量为推力攻角。终端状态受到航迹角、高度和速度的约束。然后,应用伪光谱方法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,即将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于Matlab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明伪光谱方法对于空间飞行器转移轨道初始参数取值不敏感,具有一定的鲁棒性,生成的轨道能够较好地满足各种约束条件。因此,伪光谱方法对于空间飞行器有限推力轨道转移问题的求解是可行的。     

基于伪谱反馈控制的亚轨道返回在线轨道重构方法

亚轨道飞行器任务目标的多样化对制导控制系统的智能性、鲁棒性提出了更高的要求。本文基于伪谱最优反馈控制理论并根据飞行器当前飞行状态和终端约束,使用Legendre伪谱法在线进行轨道重构,生成满足法向过载、动压和热流等轨道约束的最优返回轨迹,并实时反馈更新迎角和倾斜角制导指令。在线轨道重构使用引入迎角和倾斜角的变化率作为虚拟控制的动力学方程以保证制导指令的光滑性,并采取一系列实时性保证策略。阵风干扰下的亚轨道返回飞行仿真表明该轨道重构算法鲁棒性很强,可以满足闭环反馈更新时间要求,并且迎角和倾斜角不会出现增加控制难度的剧烈抖动现象。     

运载火箭返回着陆在线轨迹规划技术发展

在线轨迹规划技术作为实现可重复使用运载火箭返回着陆的关键技术,能够根据飞行状态实时计算最优飞行轨迹,从而有效应对运载火箭返回过程中内外部不确定性的影响。首先,梳理了在线轨迹规划方法的特点和研究现状。然后,阐述了美国针对在线轨迹规划技术开展的研究工作,以及其他国家航天机构针对垂直着陆制导控制技术设计的验证飞行器和验证计划。最后,结合运载火箭垂直着陆问题的特点,总结了基于数值优化的在线轨迹规划技术的研究方向。     

高超声速飞行器多约束再入轨迹快速优化

针对高超声速飞行器再入过程中面临测控区和绕飞区的再入轨迹设计问题，提出了一种基于Gauss伪谱法(GPM)的分段轨迹优化策略。将轨迹优化的一般最优控制问题转换为多段最优控制问题，进而将各段轨迹按Gauss伪谱方法进行离散化，将连续多段最优控制问题转换为非线性规划问题(NLP)进行求解。所得再入轨迹能够使得飞行器在满足各种约束条件的情况下成功进入测控区并且有效规避绕飞区，最终到达指定点。此外，本文综合考虑飞行器再入飞行的快速性和工程实用性，并提出了再入时间、弹道倾角以及航向角相关指标的加权性能指标，同时保证了轨迹规划快速、再入轨迹平滑以及控制量变化平缓等实际需求，提高了计算效率。仿真结果表明，本文所提出的分段优化方案能够快速规划出适应不同飞行任务的再入轨迹。     

地月空间NRHO与DRO在月球探测中的应用研究

针对地月系统三体问题低能往返轨道转移在月球探测中的应用研究，结合天体借力飞行技术与混合优化技术，系统分析了不同目标轨道与借力方位对任务飞行时间与燃料消耗等关键参数的影响，给出了往返轨道设计初值的选择策略。针对轨道设计初值猜想问题，首先采用遗传算法与二体Lambert转移快速确定轨迹拼接点初值。在同时考虑近月点与近地点多约束条件下，基于序列二次规划算法与多重打靶法进一步对燃料最优的地月往返轨道进行研究，并推导了约束方程解析梯度提高设计效率。最后分析近月点高度、不同目标轨道的转移时间与燃耗变化特性，对于考虑月球借力的地月空间轨道往返转移设计及参数选取具有重要的参考价值。     

带落速落角约束的高超声速飞行器俯冲轨迹规划方法

针对高超声速飞行器俯冲段精确打击任务需求,提出了一种能够同时满足落速与落角约束的轨迹规划方法。建立了两段式轨迹规划策略,第一段采用参数化控制剖面调节飞行速度,第二段采用传统偏置比例导引律实现落角控制。将控制剖面的参数设计分解为多参数优化与单参数搜索两个问题：通过离线求解可行初始位置范围最大的多参数优化问题,提高控制剖面对初始偏差的适应性;通过在线求解带罚函数的单参数搜索问题,得到落速偏差最小的俯冲轨迹。结合高超声速飞行器模型,对所提出的俯冲轨迹规划方法进行了仿真。结果表明,该方法能够得到满足落速与落角约束的俯冲轨迹,具有较好的求解效率,且对初始状态偏差具有较强的鲁棒性。     

运载火箭推力故障下在线计算轻量化任务重构方法

为了避免运载火箭推力下降故障引起发射任务失败,基于径向基神经网络,提出了一种在线计算轻量化的任务重构方法,可快速在线计算最优救援轨道对应飞行轨迹(最优轨迹)的近似解.在离线部分,结合凸优化与自适应配点法产生"故障状态-最优轨迹"数据集.数据集被用来训练径向基神经网络,建立轨迹决策模型来构建故障状态到最优轨迹的动力学关系...     

多高超声速飞行器静态协同再入制导方法

为实现多高超声速飞行器的协同再入，提出一种基于参考轨迹的静态协同再入制导方法。首先以实际轨迹长度代替大圆弧假设，研究了实际轨迹长度与总飞行时间的对应关系，提出采用公共轨迹长度作为协调变量的思路；然后设计了一种双层协同框架，其中协调层将轨迹长度作为协调参数进行协调匹配，执行层依据分配的协调参数完成再入飞行；最后针对协同再入的时间一致性要求，提出一种新的协同逻辑转换策略，将终端时间的一致性问题转化为到达截止时间的状态收敛问题。该方法在能量域内进行公共参考轨迹设计，之后通过时域信息提取在时域内完成公共参考轨迹跟踪，最终实现多成员的协同再入。分别在标称状态与模拟扰动环境对所提方法进行了数值仿真，结果表明，所提方法能够简明实现多飞行器的再入协同制导，具有较好的应用潜力。     

上面级适应初始大偏差轨道在线规划策略研究

提出了一种上面级适应初始轨道大偏差的轨道在线规划策略,在上面级初始轨道参数存在较大偏差情况下,通过轨道在线规划,将规划后的控制诸元上传至上面级,使得上面级按照新的轨道飞行,将卫星送入目标轨道或大幅减小卫星入轨偏差,减小上面级由于入轨偏差修正过程中燃料的消耗。该策略可以广泛应用在上面级直接入轨发射MEO、GEO卫星等典型中高轨任务中。